直流无刷电机的控制结构
直流无刷电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响:
n=120.f / p。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式.也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) :电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v),如果输入是交流电就得先经转换器(cONverter)转成直流.不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor),做为速度之闭回路控制,同时也做为相序控制的依据.但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
利用ARM7对无刷电机实施磁场定向控制
电机驱动能效不论提高多少，都会节省大量的电能，这就是市场对先进的电机控制算法的兴趣日浓的部分原因。三相无刷电机主要指是交流感应异步电机和永磁同步电机。这些电机以能效高、可靠性高、维护成本低、产品成本低和静音工作而着称。感应电机已在水泵或风扇等工业应用中得到广泛应用，并正在与永磁同步电机一起充斥家电、空调、汽车或伺服驱动器等市场。推动三相无刷电机发展的主要原因有：电子元器件的价格降低，实现复杂的控制策略以克服本身较差的动态性能成为可能。
以异步电机为例。简单的设计需要给定子施加三个120°相移的正弦波电压，这些绕组的排列方式能够产生一种旋转磁通量。利用变压器效应，这个磁通量在转子笼内感应出一股电流，然后产生转子磁通量。就是这两种磁通量相互作用产生电磁力矩，使电机旋转。在转子上感应出电流的条件是，确保转子的转速与定子的磁通量频率不同；如果相同，转子只经历一个恒定的磁通量，不会有感应电流产生（楞次定律）。通电频率和其产生的机械频率之间的微小差异是异步电机命名的原因。一个三相交流电机实现转速可调操作的最简单方式是，实现一个所谓的电压/频率控制（或者叫做标量控制），其工作原理是在频率与电机通电电压之间保持恒比。这种方法产生一个恒定的定子磁通量，然后在转子主轴上得到额定的电机力矩。对于应用负载特性被大家了解的低成本驱动器，以及控制带宽要求不是很高的驱动器，如数量很少的HP泵和风扇、洗衣机等，这是一个很受欢迎的控制方法。一个MIPS不是很高并带有合理的外设接口的8位单片机如ST7MC，即可满足这种应用需求，同时编程也很简单。
这种方法无法在瞬间工作过程中保证最佳的电机特性（力矩、能效）。而且为防止电机出现临时消磁现象，还必须限制驱动器反作用力的时间。为了克服这些限制条件，考虑到电机的动态特性，市场上出现了其他的控制策略。磁场定向控制（也称矢量控制）是应用最广泛的控制算法，目标应用包括带式传输机、大功率水泵、汽车废气排放、工厂自动化。这种方法允许用两个去耦的控制变量（下文简称Id和Iq）控制一个交流电机，就像控制分开励磁的直流电机一样。励磁电流Id产生直流主磁通量，而Iq则控制力矩，功能与直流电机中的电枢电流一样。当负载发生变化时，磁场定向控制能够对转速进行精确的控制，响应速度非常快，甚至在瞬间操作过程中，通过使定子和转子的磁通量保持正交，可以优化电机能效。这种方法可实现位置控制方案（通过瞬间力矩控制），在低速运转时释放电机的全部力矩。
下面简要介绍一下磁场定向控制的工作原理。把参考坐标系从固定的定子线圈换到运动的转子磁通量坐标系，采用两个着名的变换运算法则：Clarke变换和Park变换。Clarke变换是将120°相移三轴坐标系(Ia, Ib, Ic)转换成两轴直角坐标系(Ia, Ib)；Park变换是将固定的 (Ia, Ib)坐标系统转换成与转子相关的两轴旋转坐标系(Id, Iq)。最后这两个数值是直流或者变化缓慢的数值，采用简单的PI控制器方法可以调整这两个数值。最后，利用逆变换(Park和Clarke逆变换)将其还原到固定的AC三相坐标系，如图1所示。
图1 磁场定向控制的工作原理
在各种矢量控制方法中，我们采用一个间接磁场定向控制方法，唯一测量和处理的电机模型参数是转子时间常数Lr/Rr（在转差估算器模块内）。如果电机是一个永磁同步电机，结构框图和相应的功能将会非常相似，不再需要转差估算器，磁通量命令可以设定为零(磁铁自己产生磁通量)。算法只是这项工作的一部分：只要计算出电压电平，就必须将其转换成伏特和安培。像在任何一个现代功率电子系统一样，这个电机控制系统由肌肉（功率转换器）和大脑（单片机）组成。驱动功率转换器（俗称逆变器）是由三个PWM输出驱动。从图2中不难看出，一个功率强大的三路缓冲器将一个0-5V的逻辑信号，转变成一个0-300V的方波信号，施加到电机端子上。电机的绕组电感起到一个低通滤波器的作用：去除载波频率，平滑电流变化，形成一个正弦电流波形，即PWM调制的波形。
图2 电机控制系统
让我们从CPU开始逐个查看一个先进的电机驱动器系统的整体需求。整个矢量控制算法必须连续反复计算，计算速度在1~10 kHz之间（1ms一直到100μs闭环时间，视最终应用的带宽而定）。系统需要大量的数学计算（三角函数、PID调整器、实时磁通量和基于电机参数的力矩估算）。此外，必须给应用的其余部分（通信、用户界面等）的计算留有余地。为了不限制动态性能，主要控制变量需要最低16位的精度，中间结果需要32位计算能力。所有这些因素说明了矢量控制必须使用高速、高性能处理器的原因。市场现有产品包括16位或32位单片机、混合控制器或数字信号处理器，这些产品通常与先进的电机控制直接相关，如果你不是刻意追求速度最快的数字电流控制回路或最精确的曲线控制，一个基于ARM7处理器的解决方案刚好满足磁通量定向控制的要求。除核心的性能外，若想最大限度减少外部组件，还需配备合理的外设接口。这样设计可大大简化设计过程，确保成本效益和可靠性（因为PCB设计被简化）。
在信号生成方面，通用PWM通道是不适合的，必须使用电机控制专用PWM信号，因此必须采用三对同步互补PWM通道，含有死区时间插入功能，以防止半桥可能发生短路故障。为安全起见，当功率级出现故障/错误（过流、高温）时，必须同时关闭这6路PWM通道。安全功能还配备一个专用的紧急故障输入。定时器的时钟频率（典型值>50MHz）和PWM载波频率的三角波形才是确保正弦波形的高精度和最佳的噪声-开关损耗比的两个因素，而非锯齿波形。
模拟信号采集是MCU的另一个主要负荷，电机监控必须控制两类信号：缓慢变化的信号如DC总线电压（含有100Hz波纹电压成分）或电位器电压；高动态的频率范围几赫兹到数百赫兹的电机电流，其中含有PWM速率（典型值高于10 kHz）的波纹电流。因此，模数转换器的速度必须很快（低于5μs），以便在对电机相位进行顺序采样时，减少对不平稳电流的测量，节省为等候模数转换结果而在PWM中断服务程序上消耗的时间。在转换器精度方面，10位正在成为转换器的标准。虽然8位转换器对大多数应用已经够用，但是电流范围扩大的应用需要10位以上的模数转换器，以便在各种负载条件下保证充足的分辨率。此外，控制精度与模数转换器的质量有直接的关系。
最后，我们还必须处理转速和/或位置传感器。递增编码器位置传感器需要专用的信号调节功能，作为一个具有加减计数功能的外部时钟，来处理两个正交信号输出。处理这个功能的是一个含有专用编码器模式的定时器。
我们在STR730单片机上成功地实现了一个带传感器的磁场定向控制（基于转速生成器）算法，该单片机基于ARM7TDMI处理器，工作频率32MHz，内嵌闪存。这个算法完全采用C语言开发，没有进行任何刻意的代码优化。在实际算法中，完成整个控制回路用时55μs，在3kHz采样速率下CPU负荷17％。当核心运行在60MHz时，预计执行时间低于20μs。采用ARM7处理器实现的算法具有很多优点。首先，ARM现已成为标准核心，其平台方法和大量的开发工具是节省成本的关键所在；其次，假如下一代产品设计需要更高处理速度（MIPS），你可以直接升级到基于ARM9的产品。从架构的角度看，桶形移位器很有趣，它允许在整个处理流程中优化变量分辨率。你可以在一个时钟周期内改变格式以达到限制处理时间的目的，此外，它允许利用常数节省某些乘法运算，例如r0=(r1<<4) - r1相当于r0=15xr1，甚至速度更快。低成本的DSP有16位固点核心。当必须处理PI调整器的积分项或扩展所需的精度范围时，ARM7的32位数据通道能够避免多个16位负载。当进行电机控制信号处理时，DSP的其他重要功能没有太大的用途，例如，硬件闭环和双寻址模式。这些在某种程度上说明了人们为什么把ARM7处理器喻成如此优化的架构。
图3所示是一个新的STR7产品，为ST的基于ARM7处理器的产品线开发，能够满足前文概述的系统需求。主要特性包括：
* SPTimer同步PWM定时器，执行高端PWM信号生成功能，基于16位定时器，时间分辨率可降至16.6ns，实现最佳的电压重建；
* 能够产生居中或边缘对齐的PWM图形；
* 逆变器故障处理所需的内部可编程死区时间信号生成器和紧急故障保护功能；
* 为简化软件处理任务，采用多个中断源、一个可编程重载速率和“禁止吸烟”保护，以防止软件因为失控而修改系统重要外设的配置寄存器。
图3 新的STR7产品
这个SPTimer还可作为通用定时器，带有两个输入捕获引脚、两个输出比较引脚，以及可最大限度降低软件开销的编码器专用模式。该模式具有x2或x4分辨率、方向自动管理，可以给所选编码器的线数编程，因此可从计数寄存器直接读取转子角位信号。针对电流测量功能，新产品内置一个具有自动扫描功能的3μs 10位模数转换器。主要外设接口包括多个定时器、通信接口等。考虑到单片机处理的非电机控制性任务，我们在电路板上设计了智能外设，像连接端子、功率因数校正、耗能制动等。
意法半导体集中全力开发电机控制市场，是世界仅有的几家有能力提供完整的电机控制产品组合的供应商之一，产品范围从快速二极管到处理器，包括高压栅驱动器和开关。为满足更加节能的“绿色” 电机和高性能驱动器的需求，我们打造了一个以ARM为核心的完整产品线，帮助设计人员揭开向量控制算法的神秘面纱。这种控制方法很快就会把今天的主流的DSP式控制淘汰出局。推广应用一个新的控制方法：既然使用以ARM为核心的标准单片机就能满足先进的电机控制需求，有谁还肯再花费时间在专有的架构上实现先进的电机控制呢？
无刷电机的功能分析及应用
有刷和无刷电机之间最显着的区别是是否配置有常见的电刷-换向器(Brush-Commutator)。过去一个世纪以来，有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。
而无刷电机则通过霍尔传感器(Hallsensor)把转子位置反馈回控制电路，使其能够获知电机相位换向(顺序)的准确时间。大多数无刷电机生产商生产的电机都具有三个霍尔效应定位传感器。由于无刷电机没有电刷，故也没有相关接口，因此更干净，声学噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。
那么，还有什么是有待更进一步的呢?尽管电机业对无刷电机优势的认识日益加深，但迄今工作仍只限于开发上述的无刷电机霍尔传感器控制电子元件。
目前对电机驱动盒和电机驱动卡开发的需求十分急迫，它们能为设计人员提供微控制器、可编程能力和驱动器，并把所有这些功能都集成在一个单一封装内。不论是在数字还是模拟模式下，本质上是这种集成方式完成各种电机应用必需的换向。没有这种集成，无刷电机就不起作用。
在选择最佳驱动器时，脉宽调制(PWM)IC正逐渐作为一种首选技术受到认可。最佳驱动器的选择仅取决于效率。线性电路的缺点在中端开始突显，此时输出电平为50[%]左右。在这种输出电平时，旁路元件的阻抗等于负载阻抗，这意味着放大器产生的热量等于供给负载的功率!简言之，当以中等功率等级驱动电阻式负载时，线性控制电路出现50[%]的最低效率。
相对于有百年历史的有刷电机而言，无刷电机更干净、纤小和轻便，并正在稳步快速地向前发展。对于它们稳定且不断增加的受欢迎程度，仅以“是时候了”来概括显然过于保守。
就在两年前，无刷电机还远比有刷电机昂贵。但受惠于设计技术和材料技术的进步，其价格急剧降低。如今，两种电机技术之间的成本差异只有10[%]。而最显着的转变则是设计人员开始紧密结合工业应用进行工作。传统上，这被认为属于硬核式有刷电机的应用领域，因为“干净”的工作环境并不是最重要的。但现在，由于成本门槛的降低，无刷电机不断获得新的应用。
基于CPLD的直流无刷电机驱动电路设计
直流无刷电机广泛应用于计算机外围设备、数控机床、机器人、伺服系统、汽车、家电等领域。本文介绍的电机驱动电路就是某稳定平台的角度伺服控制回路的驱动部分。本文中设计的基于CPLD的电机驱动电路，充分利用cPLD的硬件可编程和实现逻辑运算方便的特点，用一片CPLD代替原有十几片逻辑门和一部分模拟电路。采用VHDL语言编程实现相关逻辑。利用CPLD在线可编程的特点，可以很方便的对系统进行调试。
1 无刷直流电机的驱动原理
直流无刷电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路组成一个闭环系统。与一般的有刷电机不同，他的定子为电枢绕组，转子采用永磁体。本文介绍的电动机采用了3相Y型联结的全控电路，其基本构成如图1所示。
其电子开关电路为6个IGBT组成的三相逆变电路。直流无刷电机驱动电路的作用就是对来自电机转子位置传感器的位置信号、来自外部的PWM控制信号以及其他控制信号采样并进行译码，使A，B，C三相绕组能按要求的顺序导通，实现定子绕组的正确换相，从而使电机正常运行。在实际应用中还要对电机的过压、欠压、过流、过热保护等进行设计。并按要求进行光电隔离和基极驱动电路设计。
2 系统总体方案设计
电动机驱动电路包括3个部分，即：
(1)CPLD核心控制电路；
(2)驱动及隔离电路；
(3)IPM接口电路；其系统框图如图2所示。
3 硬件电路设计
3.1 CPLD控制电路
该部分是电动机驱动电路的核心部分见图3，其信号采集、换相译码、死区发生器设计以及故障处理均由该部分完成。采集的信号有：电机控制器的PWM信号；正反转控制信号；经过整形的电机的霍尔位置传感器的位置信号；来自IPM模块的电机的欠压、过压、过流、过热等故障检测信号。这些信号输入到CPLD后，通过CPLD的软件实现换相译码、编程死区和电机保护逻辑，最后输出控制信号UP，VP，WP，UN，VN，WN到IPM的三相逆变电路。控制电机的三相电枢正确换相，从而使电机正常运行。
霍尔传感器信号的整形电路如图4所示：
采用4路精密电压比较器LM339完成。对来自霍尔传感器的信号进行整形，并对输出到CPLD的信号加滤波电容滤波。
3.2 驱动隔离电路
驱动隔离电路包括光电隔离电路和基极驱动电路。
光电隔离电路的作用是实现CPLD控制电路与IPM模块之间的电气隔离。隔离信号有2部分：
(1)CPLD输出到IPM模块的UP等控制信号；
(2)IPM反馈给CPLD的电机故障诊断信号F1，F2，F3，F4；
UP等信号的电气隔离采用高速光电耦合芯片6N137，该芯片的最大延迟时间为75 ns。可实现3 000 VDC的高电压隔离，适合于电气控制场合。IPM反馈给CPLD信号的电气隔离由光电耦合芯片4N25完成，如图5所示。
基极驱动电路采用9014三极管，并使三极管工作在开关状态。增加控制信号的驱动能力，并最终输出控制电压给IPM模块的三相逆变电路。如图6所示：
3.3 IPM接口电路设计
IPM(智能功率模块)将多个IGBT集成到一起，广泛应用于无噪声逆变器、低噪声UPS和伺服控制器中。一般含有栅极驱动、短路保护、过压、过流保护等。本文采用三菱电机生产的PM75CSA120的IPM模块实现驱动电机所需的三相逆变电路。他内部集成6只IGBT，每2只对应电机的一相。其额定负载电流为75 A，额定控制电压为1 200 V。另外还集成过流、过热、欠压、短路等故障检测电路，其示意图如图7所示。
出现故障时，IPM会将检测信号FO送到CPLD进行处理，采取相应的措施，提高系统的可靠性。
IPM工作需要单独的电源供电，与控制电路电源严格分开。其中上桥臂的3个IGBT各自需要1路电源，下桥臂的3个IGBT共用1个电源，这样就需要4路电源。其电源模块的电路如图8所示。
智能功率模块将功率电子器件和驱动电路集成到一起，并且内藏有故障检测电路，不仅体积小，而且可靠性高。
4 系统软件设计
4.1 软件构架设计
CPLD的软件采用VHDL语言编程实现。软件模块间的程序并行执行，没有程序流程图，只能用程序架构表示。CPLD的软件主要有电机的换相译码、死区发生器设计、故障处理和PWM与转向控制等功能，其软件构架如图9所示。
4.2 换相译码程序设计
换相译码器的作用是根据当前位置信号和PWM控制信号以及转向控制信号Q，确定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相应值。需要实现的逻辑表达式为：
4.3 死区发生器设计
为防止三相逆变电路上下桥臂的IGBT产生“共态导通”的现象，导致短路。需要给IGBT的控制信号的上升沿设置死区，使其在一段延时之后才真正达到高电平。
死区发生器设计采用饱和计数器的方式，类似于电容的充放电过程，需产生如图10所示的时序。其规则为：
(1)当UP[_]IN输入为0时，如果计数值T等于0，则计数值T保持不变，否则作减1计数；
(2)当UP[_]IN输入为1时，如果计数值T等于max，则计数值T保持不变，否则做加1计数；
(3)当输入为1且死区计数器数值T为MAX时，UP=1对应IGBT导通；
(4)当死区计数器数值在0～MAX之间时，UP=0，对应IGBT关闭；
下面为死区时间为N个时钟周期的VHDL程序，程序的运行结果如下。
4.4 IPM故障处理
在系统中故障检测信号的处理是把信号引入到CPLD中，然后UP实现的逻辑后输出，既保证IPM出现故障时，UP无输出，又保证UP与UN的反逻辑。
5 结 语
介绍一种采用CPLD做核心控制器的无刷直流电动机的驱动电路的设计。实现电机驱动所需的换相逻辑、电机运行故障处理以及可以灵活设置死区时间的死区发生器。该电机驱动电路可以用于高精度的伺服控制系统中。
